Giáo trình thiết kế wetland cho xử lý nước thải

L ời nói đầu iáo trình “Thiết kế wetland cho xử lý nước thải” được biên soạn nhằm cung cấp cho sinh viên năm cuối của ngành kỹ thuật môi trường cũng như những ai quan tâm đến công ng

TS NGUYỄN HOÀNG NAM

GIÁO TRÌNH THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

Chịu trách nhiệm xuất bản:

ThS Võ Tuấn Hải

Biên tập: Nguyễn Phương Liên Thiết kế bìa: Xuân Dũng

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

70 Trần Hưng Đạo, Hoàn Kiếm, Hà Nội ĐT: P TH&QLXB: 024 3942 3172; TT Phát hành: 024 3822 0686

Ban Biên tập: 024 3942 1132 - 024 3942 3171 FAX: 04 3822 0658 - WEBSITE: http://www.nxbkhkt.com.vn

EMAIL: nxbkhkt@hn.vnn.vn

CHI NHÁNH NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

28 Đồng Khởi - Quận 1 - Thành phố Hồ Chí Minh ĐT: 08 3822 5062

In 200 bản, khổ 19x27 cm tại Xí nghiệp in NXB Văn hóa dân tộc

Địa chỉ: 128C/22 Đại La, Hà Nội

Số đăng ký xuất bản: 1661-2019/CXBIPH/2-31/KHKT

Số quyết định xuất bản: 54/QĐXB-NXBKHKT, ngày 18 tháng 6 năm 2019

In xong và nộp lưu chiểu năm 2019

Mã ISBN: 978-604-67-1245-9

L ời nói đầu

iáo trình “Thiết kế wetland cho xử lý nước thải” được biên soạn nhằm

cung cấp cho sinh viên năm cuối của ngành kỹ thuật môi trường cũng như những ai quan tâm đến công nghệ wetland những kiến thức về các loại hệ thống constructed wetland, các cơ chế chuyển hóa các chất trong hệ thống constructed wetland, cơ chế loại bỏ các chất ô nhiễm và công nghệ xử lý nước thải bằng hệ thống constructed wetland cùng các ứng dụng của wetland cho xử lý một số loại nước thải

Trọng tâm của giáo trình là đưa ra được cách đánh giá về các đặc tính của nước thải, về cân bằng nước, về vị trí và cách tính toán để thiết kế xây dựng hệ thống constructed wetland; nắm bắt được các bước tiến hành, cơ sở khoa học trong tính toán thiết

kế hệ thống xử lý nước thải khác nhau bằng hệ thống constructed wetland; trên cơ sở bản thiết kế hoàn chỉnh hệ thống, có thể tiến hành xây dựng hệ thống, tiến hành lựa chọn loại thực vật và trồng cây vào hệ thống; thực hiện các bước trong vận hành hệ thống cũng như các công việc bảo hành bảo trì hệ thống và đánh giá hiệu quả xử lý của hệ thống Ngoài ra giáo trình đưa ra cơ sở để tính toán cho các loại chi phí từ việc xây dựng, đến chi phí cho vận hành và bảo trì của hệ thống constructed wetland, so sánh với các hệ thống xử lý khác

Giáo trình này cũng là tài liệu tham khảo cũng như tài liệu chính thức cho học viên cao học ngành kỹ thuật môi trường, công nghệ môi trường và các cán bộ nghiên cứu trong lĩnh vực xử lý nước thải nói chung và xử lý bằng công nghệ wetland nói riêng

Công nghệ wetland cũng như thiết kế constructed wetland cho xử lý nước thải là lĩnh vực mới ở Việt Nam, do cuốn sách được xuất bản lần đầu tiên nên không tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của bạn đọc và đồng nghiệp để giáo trình được sửa chữa, bổ sung cho hoàn chỉnh

Tác giả

G

M ỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

MỤC LỤC 4

NHỮNG TỪ VIẾT TẮT 7

MỞ ĐẦU 9

1 Chương 1 LOẠI BỎ CÁC CHẤT Ô NHIỄM BẰNG WETLAND 13

1.1 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA WETLAND 13

1.1.1 Đất 13

1.1.2 Nước 15

1.1.3 Thực vật trong wetland 15

1.1.4 Phân loại wetland 21

1.2 CƠ CHẾ LOẠI BỎ CÁC CHẤT Ô NHIỄM THÔNG THƯỜNG 22

1.2.1 Quá trình phi sinh học 22

1.2.2 Quá trình sinh học 24

1.3 CƠ CHẾ LOẠI BỎ CÁC CHẤT Ô NHIỄM ĐẶC BIỆT 26

1.3.1 Tổng chất rắn lơ lửng 27

1.3.2 Tổng carbon hữu cơ và nhu cầu oxy 27

1.3.3 Hydrocarbon 28

1.3.4 Nitơ 30

1.3.5 Phosphor 33

1.3.6 Kim loại 34

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1 44

2 Chương 2 CÁC LOẠI HỆ THỐNG WETLAND 45

2.1 HỆ THỐNG DÒNG CHẢY TRÊN BỀ MẶT (Surface Flow Constructed Wetlands - SF CW) 45

2.2 HỆ THỐNG DÒNG CHẢY DƯỚI BỀ MẶT (Subsurface Flow Constructed

Wetlands – SSF CW) 48

2.3 DÒNG CHẢY ĐỨNG (Vertical Flow Constructed Wetland) 49

2.3.1 Dòng chảy hướng xuống dưới 49

2.3.2 Dòng hướng lên trên 51

2.3.3 Dòng thủy triều 52

2.3.4 Các vùng đệm ven sông 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 2 57

3 Chương 3 CÁC ỨNG DỤNG 58

3.1 XỬ LÝ CÁC NGUỒN NƯỚC MƯA CHẢY TRÀN 58

3.2 XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ 60

3.3 XỬ LÝ NƯỚC THẢI MỎ 64

3.4 XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP 67

3.5 KHẮC PHỤC HẬU QUẢ HOẠT ĐỘNG XỬ LÝ CHẤT THẢI 70

3.6 HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC 72

3.7 NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI 73

3.8 NƯỚC THẢI TẠI CHỖ 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 3 79

4 Chương 4 ĐÁNH GIÁ THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG WETLAND 80

4.1 ĐÁNH GIÁ 80

4.1.1 Cân bằng nước 85

4.1.2 Đặc tính nước đầu vào 88

4.1.3 Đối tượng xử lý 89

4.1.4 Xác định vị trí phù hợp 90

4.2 THIẾT KẾ VÀ HƯỚNG DẪN 95

4.2.1 Tiền thiết kế 106

4.2.2 Thiết kế cơ học 125

4.2.3 Ý tưởng thiết kế 138

4.2.4 Các nghiên cứu khả thi 139

4.2.5 Thiết kế hoàn chỉnh 140

TÀI LIỆU THAM KHẢO 159

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 4 160

5 Chương 5 XÂY DỰNG, VẬN HÀNH VÀ BẢO TRÌ 162

5.1 XÂY DỰNG 162

5.1.1 Xói mòn đất và kiểm soát xói mòn 163

5.1.2 Phân loại và chuẩn bị lớp nền 163

5.1.3 Lựa chọn thực vật và trồng cây 165

5.1.4 Công bố các hoạt động xây dựng 165

5.2 VẬN HÀNH VÀ BẢO TRÌ 166

5.3 QUAN TRẮC ĐỊNH KỲ HỆ THỐNG WETLAND 167

TÀI LIỆU THAM KHẢO 170

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 5 171

6 Chương 6 TÍNH TOÁN CHI PHÍ 172

6.1 CHI PHÍ CƠ BẢN 173

6.2 CHI PHÍ VẬN HÀNH VÀ BẢO TRÌ 182

6.3 TỔNG CÁC CHI PHÍ 183

6.4 SO SÁNH CHI PHÍ CỦA HỆ THỐNG CW VỚI CÁC HỆ THỐNG XỬ LÝ BẰNG CÔNG NGHỆ KHÁC 184

TÀI LIỆU THAM KHẢO 189

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 6 190

N HỮNG TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh hoá

COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học

CW Constructed Wetland Hệ thống xử lý nước bằng thực vật

FWS Free Water Surface Bơi tự do trên bề mặt

HLR Hydraulic Loading Rate Độ dẫn thủy lực

HRT Hydraulic Residence Time Thời gian lưu thủy lực

Norg Organic Nitrogen Nitơ hữu cơ

SFW Surface Flow Wetland Wetland có dòng chảy trên bề mặt SSFW Subsurface Flow Wetland Wetland có dòng chảy dưới bề mặt

TSS Total Suspended Solid Tổng chất rắn lơ lửng

VFW Vertical Flow Wetland Wetland có dòng chảy đứng

M Ở ĐẦU

ệ thống xử lý nước bằng thực vật (tên tiếng Anh: constructed wetland, viết tắt

là CW) là một wetland nhân tạo được xây dựng để loại bỏ các chất gây ô nhiễm có mặt trong nước khi chảy qua chúng Chúng được tái tạo, cấu trúc để khai thác hết chức năng của các wetland tự nhiên đến mức có thể, nó hoạt động như một bộ lọc hoặc

"quả thận của tự nhiên" Trong hệ thống wetland, chúng sở hữu một cộng đồng vi khuẩn phong phú trong các trầm tích, xung quanh bộ rễ để thực hiện việc chuyển đổi sinh hóa của chất gây ô nhiễm, chúng là các nhà sản xuất sinh học và quan trọng nhất, chúng tự có thể

tự thích nghi, duy trì và phát triển trong môi trường ngập nước Những yếu tố này làm cho công nghệ wetland là một lựa chọn rất hấp dẫn để xử lý nước so với các hệ thống xử lý thông thường Công nghệ này an toàn về mặt sinh thái, chi phí thấp, vận hành đơn giản hơn

so với các hệ thống xử lý khác (Brix, Sorrell et al., 1996)

Hệ thống CW sử dụng các cơ chế xử lý bằng thực vật (phytoremediation) Tuy nhiên, sự phát triển của công nghệ constructed wetland cho thấy, CW là một môn học riêng biệt Trong khi các sách đã được xuất bản về CW rất phong phú, các sách đưa ra nhiều ứng dụng trong xử lý nước như: xử lý nước mưa chảy tràn, xử lý nước thải đô thị, xử lý nước thải công nghiệp, xử lý nước thải nông nghiệp Tuy nhiên, việc sử dụng các hệ thống CW hiện nay đang nổi lên như là một kỹ thuật xử lý phù hợp cho một loạt các loại nước thải khác nhau (Kadlec and Knight, 1995)

Wetland phát triển tự nhiên, một phần, để loại bỏ các thành phần hóa học trong nước chảy qua chúng Nước chảy qua các bề mặt với vận tốc sao cho, đủ để hòa tan các chất khi nồng độ của chúng nhỏ hoặc lắng đọng các hạt chất rắn lơ lửng trong quá trình di chuyển tới các vùng chứa như hồ, ao, biển… Trong một số khu vực có sự thay đổi của độ dẫn thủy lực nhỏ, khi độ dẫn thủy lực nhỏ đáng kể, làm cho các chất rắn lơ lửng được tách

ra khỏi nước, tạo thành một lớp trầm tích Những trầm tích này thường giàu chất dinh dưỡng hữu cơ, nó tạo ra một môi trường thuận lợi cho sự phát triển của thực vật

Thực vật trong wetland phát triển trong các trầm tích, nơi dòng nước di chuyển qua

và độ sâu của nước là đủ để cho phép chúng ngoi lên mặt nước Các loài thực vật trong hệ thống wetland loại bỏ được các chất ô nhiễm hòa tan như: các hợp chất hữu cơ, các hợp chất của nitơ, các hợp chất của phosphor cũng như các chất rắn lơ lửng ra khỏi nước và có

H

vai trò làm giảm vận tốc của dòng chảy, qua đó khả năng lắng đọng của các chất ô nhiễm vào trầm tích được tăng lên (Kadlec and Knight, 1995)

Việc xây dựng các hệ thống CW để xử lý nước đang được phổ biến rất rộng rãi trên thế giới bởi tính hiệu quả và khả năng thích ứng của chúng Hệ thống CW đã được chứng minh, chúng là giải pháp rất hiệu quả trong việc xử lý nước thải, và tạo ra các hệ sinh thái, với sự tiêu thụ năng lượng thấp, sử dụng quá trình tự nhiên, trái ngược với các hệ thống xử

lý khác có chi phí cao, bảo trì phức tạp Hy vọng, công nghệ này phát triển, việc xử lý nước thải bằng công nghệ wetland trở nên bền vững hơn trong tương lai CW không những

có khả năng đáp ứng yêu cầu về tỷ lệ loại bỏ các sinh vật gây bệnh, mà còn đạt được hiệu quả cao hơn so với công nghệ truyền thống như: công nghệ sinh học, công nghệ hóa học, công nghệ vật lý CW kết hợp với các công nghệ khác sẽ làm tăng hiệu quả xử lý nước thải Nó là giải pháp tốt được sử dụng để xử lý nước thải ở vùng khí hậu nhiệt đới Sử dụng

hệ thống này có nhiều ưu điểm như: hệ thống đơn giản, chi phí thấp, bảo trì thấp, tiêu thụ năng lượng thấp, sử dụng lâu dài và tính ổn định cao Một trong những lợi thế lớn của việc

sử dụng hệ thống CW là, trong hệ thống không cho phép muỗi sinh sản (hệ thống dòng chảy dưới bề mặt) Quá trình cải tiến hệ thống CW nhằm nâng cao hiệu quả xử lý của chúng đang được cải thiện một cách nhanh chóng và chúng ta thu được nhiều kinh nghiệm hơn từ các hệ thống này (Vymazal and Kröpfelová, 2008)

Nhiều quốc gia trong vùng khí hậu nhiệt đới sử dụng hệ thống CW cho xử lý nước thải ví dụ: Tanzania, Kenya, Malawi, Uganda, Zambia, Botswana, Zimbabwe Trong số các hệ thống này, đã có nhiều hệ thống xử lý nước thải đạt được chỉ tiêu thấp hơn so với các tiêu chuẩn xả thải Tuy nhiên, các hệ thống CW chưa nhận được sự quan tâm xứng đáng như một phương pháp riêng để xử lý nước thải

Hệ thống CW được sử dụng để cải thiện chất lượng nước thải từ các nguồn thải khác nhau Để thiết kế được một cách chi tiểt, cần hiểu rõ được cơ chế loại bỏ chất gây ô nhiễm, qua đó có thể tối ưu hóa được hệ thống cho việc xử lý một loại chất gây ô nhiễm cụ thể Để thiết kế tỉ mỉ được hệ thống CW, đòi hỏi sự hiểu biết rõ ràng cả hai chức năng đất ngập nước và xử lý Sử dụng hệ thống CW để xử lý nước, đòi hỏi sự thành thạo và linh hoạt trong việc ứng dụng trong các trường hợp cụ thể Không giống như các hệ thống xử lý bằng công nghệ khác, các hệ thống này chỉ tập trung vào xử lý một chất gây ô nhiễm đơn thuần hoặc một loại chất gây ô nhiễm Trong hệ thống CW, sử dụng nhiều quá trình diễn ra đồng thời, chúng phụ thuộc lẫn nhau, cộng sinh để loại bỏ đồng thời các loại chất gây ô nhiễm khác nhau (Vymazal and Kröpfelová, 2008) Ví dụ, một hợp chất hữu cơ kỵ nước,

có thể hấp phụ trên bề mặt vật liệu hữu cơ có trong hệ thống và sau đó chúng được chuyển hóa bằng các quá trình sinh học, tạo thành các sản phẩm không gây độc

Bên cạnh xử lý nước, hệ thống CW có thể được sử dụng để xử lý trầm tích bão hòa nước như các sản phẩm nạo vét (phương pháp reed-bed), thậm chí cả nước ngầm ở tầng nông tại chỗ (WRc/SevernTrent., 1996) Dải đệm ven sông và một số mương được trồng thảm thực vật là một dạng của hệ thống wetland, bởi vì nó duy trì điều kiện đất bão hòa nước trong một thời gian dài, qua đó, hỗ trợ đặc tính của thực vật wetland làm nhiệm vụ xử

lý các chất ô nhiễm Có một sự liên quan giữa các loại hệ thống xử lý bằng thực vật trên cạn và các hệ thống wetland Khi mặt đất trở thành vùng đất ngập nước, ở điều kiện này, hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm trong hệ thống xử lý bằng thực vật trên cạn có thể cao hơn hẳn các hệ thống xử lý mà không ngập nước

Nhiều hệ thống kết hợp được sử dụng cho xử lý, ví dụ: wetland có dòng chảy tự do trên bề mặt kết hợp với hệ thống wetland có dòng chảy dưới bề mặt, sau đó được kết nối với hệ thống dòng chảy đứng Công nghệ này là có thể thích ứng với xử lý một loạt các chất ô nhiễm, nó cần thông qua các thiết kế chọn lọc và sử dụng các hệ thống CW khác nhau, đồng thời có thể kết hợp với các công nghệ khác như kết hợp giữa hệ thống tiền xử

lý với CW

Hệ thống CW có tổng chi phí lâu dài thấp hơn đáng kể và chi phí vốn đầu tư ban đầu thường thấp hơn so với các hệ thống xử lý thông thường (Kadlec and Knight, 1995) Ngoài ra, hệ thống CW:

• Chịu đựng được sự thay đổi của dòng chảy và nồng độ của chất gây ô nhiễm;

• Bảo vệ được lũ lụt;

• Tạo điều kiện tái sử dụng và tái chế nước;

• Có thể xây dựng để tạo ra cảnh quan phù hợp, hài hòa;

• Cung cấp môi trường sống cho thực vật và động vật hoang dã;

• Nâng cao tính thẩm mỹ của không gian;

• Cung cấp các cơ hội giải trí và giáo dục

• Là một cách tiếp cận "nhạy cảm với môi trường" thuận lợi từ các nơi công cộng

và các cơ quan có thẩm quyền

L OẠI BỎ CÁC CHẤT Ô NHIỄM BẰNG WETLAND

CW có thể xử lý các chất ô nhiễm như tổng chất rắn lơ lửng (TSS), nhu cầu oxy sinh hóa (BOD), các hợp chất hữu cơ, các hợp chất vô cơ để đáp ứng các chỉ tiêu quy định Mặc dù các wetland tương tự có thể đạt được mục tiêu loại bỏ nhiều chất gây ô nhiễm khác nhau theo các cơ chế khác nhau (Kadlec and Knight, 1995) Tuy nhiên, khi hiểu rõ được cơ chế loại bỏ và quy trình kiểm soát chất gây ô nhiễm, sẽ làm tăng xác suất thành công trong việc ứng dụng của hệ thống wetland

ẩm ướt

1.1.1 Đất

Đất trong wetland thường bở, rời kém kết dính, nó là vật liệu tự nhiên hỗ trợ hoặc

là có khả năng hỗ trợ sự sống của thực vật Đất thường được chia thành hai loại khác nhau,

đó là đất khoáng và đất hữu cơ Ngoài ra, đất còn có thể được phân loại dựa vào độ ẩm hiện tại Trong điều kiện đất ngập nước, đất được coi là hydric, nghĩa là, bão hòa, ngập nước, hoặc đọng nước đủ dài trong suốt thời gian hoạt động để phát triển các điều kiện kỵ khí ở phần trên của đất Đất hydric được phát triển trong điều kiện đủ ướt để hỗ trợ thực vật thủy sinh của khu vực ẩm ướt (thảm thực vật thủy sinh)

Đặc tính của đất bao gồm các lớp đất khác nhau được mô tả từ bề mặt trở xuống Những lớp này, được gọi là tầng đất, nói chung theo hướng song song với bề mặt đất Một tầng đất thường được phân biệt từ những tầng tiếp giáp bởi đặc tính (ví dụ, màu sắc, cấu trúc, kết cấu) có thể nhìn thấy được hoặc thông qua đo đạc Tầng đất có thể được chia thành các tầng lớn gọi là tầng chủ Những tầng chủ được quy định với các chữ cái O, A, E,

B, C, và R (Vymazal and Kröpfelová 2008) Độ sâu và thành phần của các tầng thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào loại và vị trí của đất

Tầng O là một lớp đất bị chi phối bởi các chất hữu cơ Một số loại đất này được bão hòa nước trong thời gian dài hoặc đã từng bão hòa nước nhưng bây giờ đã ráo nước, và một số loại không bao giờ được bão hòa nước Tầng O thường gồm rác lá, rêu, địa y và cành cây đã được lưu trên bề mặt không thể phân hủy được nữa hoặc có thể bị phân hủy một phần

Tầng A thường được gọi là đất bề mặt hoặc lớp đất mặt, là một lớp nằm dưới tầng

O Ở tầng này, các chất hữu cơ đang được bổ sung Tầng O thường mang những đặc điểm của đất trồng trọt và các loại đất khác

Dưới tầng A là tầng E, một tầng khoáng, trong đó sự mất mát của silicat, đất sét, sắt, nhôm, hoặc một sự kết hợp của cát và phù sa Tầng E thường sẫm hơn so với tầng B nằm phía dưới nó

Tầng B là một vùng được tích lũy tối đa của vật chất từ tầng A Tầng này thường được đặc trưng bởi hàm lượng đất sét cao hơn hoặc rõ rệt hơn của cấu trúc đất và hàm lượng chất hữu cơ thấp hơn so với tầng A

Dưới tầng B là tầng C, bao gồm các vật liệu gốc không kết dính Trong tầng này, các vật liệu gốc không kết dính không bị phong hóa đủ để thể hiện đặc điểm của tầng B Hàm lượng sét và mức độ phát triển cấu trúc đất ở tầng C thường ít hơn so với tầng B Tầng lớn cuối cùng là tầng R, ở tầng này, độ đồng nhất của chúng rất cao

Do tính đặc trưng bão hòa nước của môi trường wetland, đất có xu hướng phát triển một số đặc điểm chỉ có ở wetland Những đặc điểm độc đáo này là kết quả từ sự ảnh hưởng của điều kiện kỵ khí gây ra bởi sự bão hòa nước thường xuyên hoặc định kỳ trong hệ thống (Vymazal and Kröpfelová 2008) Ví dụ, trong điều kiện yếm khí tạo ra một môi trường khử, do đó làm giảm quá trình oxy hóa (oxy hóa - khử) tiềm năng đối với đất Điều kiện này là kết quả của việc khử một vài chất hóa học có trong thành phần đất, chẳng hạn như sắt và mangan, dẫn đến sự phát triển của đất màu, biểu hiện của đất wetland

Đặc điểm khác của đất như: hàm lượng của chất hữu cơ cao (histic epipedons), tầng đất mặt có màu lục (gleying), nhóm đất chứa sunfur, độ ẩm (aquic hoặc peraquic), và sắt hoặc mangan lắng đọng là những dấu hiệu của tình trạng đất ngập nước (hydric) Tầng đất mặt phát triển khi điều kiện đất yếm khí dẫn đến quá trình khử hóa học của sắt, mangan và các nguyên tố khác Quá trình này tạo ra các màu xanh nhạt, hoặc màu xám đặc trưng Tầng chứa các hợp chất hữu cơ cao là một tầng đất dầy từ 20-40 cm ở bề mặt hoặc gần bề mặt, chúng bão hòa nước trong thời gian 30 ngày liên tục hoặc hầu hết là kéo dài hơn một năm và chứa tối thiểu 20% chất hữu cơ khi không có đất sét, hoặc chiếm tối thiểu 30% chất hữu cơ đến 60% khi đất chứa lượng lớn sét Đất chứa nhiều các hợp chất hữu cơ được bão hòa nước đủ thời gian để ngăn chặn sự phân hủy của chất hữu cơ có trên bề mặt Độ ẩm của đất được đặc trưng bởi nước ngầm tại các bề mặt đất và khi đó, đất hoàn toàn không có

oxy hòa tan Sắt hoặc mangan lắng đọng bởi những nguyên nhân khác nhau trong đó có diễn ra quá trình oxy hóa - khử mà chúng tồn tại (Wieder, 1990)

Các thông số được mô tả ở trên không thể áp dụng cho đất cát do tính chất riêng của chúng Đất cát được xác định là có chứa hydro dựa vào sự có mặt của các chất hữu cơ cao trong tầng đất mặt, các chất hữu cơ có mặt trong đất xuống đến tầng sâu hơn, hoặc sự hiện diện của chất hữu cơ ở tầng sâu ở vùng nước điển hình

1.1.2 Nước

"Nước là yếu tố quyết định quan trọng nhất đối với việc hình thành và duy trì các loại hình cụ thể của wetland và các quá trình của wetland" (Mitsch and Gosselink 2000)

Nó thường xuyên bão hòa hoặc theo chu kỳ của vùng wetland, điều này dẫn đến điều kiện

kỵ khí trong đất, qua đó các quá trình sinh hóa điển hình của wetland diễn ra Các quá trình này tạo nên sự phát triển đặc trưng của đất wetland, nó hỗ trợ cộng đồng sinh vật thích nghi với cuộc sống ở đất bão hòa nước Các điều kiện thủy văn của wetland có thể được đặc trưng bởi lượng nước, trong đó chủ yếu là sự khác nhau giữa lượng nước di chuyển vào wetland và lượng nước đi ra khỏi wetland Lượng nước ở trong wetland bị ảnh hưởng bởi sự cân bằng giữa các lượng nước đầu vào và nước đầu ra, nó phụ thuộc vào dòng chảy trong hệ thống như dòng chảy trên bề mặt và dưới bề mặt, phụ thuộc vào địa chất và trạng thái nước ngầm (Mitsch and Gosselink 2000)

Theo quan điểm của các nhà chuyên môn về wetland, để xác định xem liệu nước có tồn tại trong wetland hay không thông qua một số biểu hiện sau:

• Trong giai đoạn ngập nước hay bão hòa không có sự xuất hiện một số đặc tính, ví dụ:

gò nổi lên, vùng rễ hiếu khí, bộ rễ bị oxy hóa, lá chuyển màu,…

• Nước có mặt trong wetland khi đất ngập nước hay bão hòa nước có chiều cao khoảng 16-50 cm, quá trình ngập nước diễn ra ít nhất trong bảy ngày liên tục vào mùa sinh trưởng

1.1.3 Thực vật trong wetland

Sự có mặt của thực vật là một trong những đặc tính đáng chú ý nhất của wetland,

sự có mặt của chúng tạo ra sự khác biệt với đầm lầy nhân tạo, lọc bằng đất không có thực vật hoặc đầm phá Các thực vật trong wetland có một số thuộc tính liên quan đến quá trình

xử lý, thuộc tính này trở thành một bộ phận thiết yếu trong thiết kế hệ thống

Thực vật trong wetland phân bố và làm giảm vận tốc dòng chảy của nước trong hệ thống, điều này tạo điều kiện tốt hơn cho sự lắng đọng của các chất rắn lơ lửng và làm giảm nguy cơ tạo huyền phù, do đó tăng cường việc loại bỏ các chất rắn lơ lửng trong wetland Thực vật nổi làm giảm đáng kể vận tốc gió ở gần bề mặt vật liệu nền hoặc mặt nước (hình 1-1) so với vận tốc phía trên các thực vật, qua đó làm giảm sự bay hơi nước (Kuschk, Wiessner et al., 2006)

Bảng 1-1: Tổng hợp vai trò của thực vật trong xử lý bằng constructed wetlands

Đặc tính của thực vật Vai trò trong quá trình xử lý

Mô trên không

Suy giảm ánh sáng à giảm tăng trưởng của thực vật phù

du, ảnh hưởng của vi khí hậu à cách nhiệt trong mùa đông Giảm vận tốc gió à giảm nguy cơ khuấy trộn

Tích trữ chất dinh dưỡng

Mô thực vật trong nước

Hiệu quả lọc à lọc các hạt có kích thước lớn Giảm vận tốc dòng chảy à tăng tốc độ lắng, làm giảm nguy cơ tái tạo huyền phù

Cung cấp diện tích bề mặt cho tạo màng sinh học Tiết ra oxy bằng quang hóa à tăng môi trường hiếu khí Tiếp nhận các chất dinh dưỡng

Bộ rễ trong trầm tích

Giữ ổn định bề mặt trầm tích à giảm xói mòn Ngăn chặn các chất làm tắc nghẽn trong hệ thống dòng chảy đứng

Tiết ra oxy, tăng môi trường oxy hóa (và nitrat hóa) Hấp thu các chất dinh dưỡng

Tiết ra các chất hữu cơ, kháng sinh

(Nguồn : Kadlec and Knight 1995)

Thực vật làm giảm bớt sự xâm nhập ánh sáng vào trong nước, qua đó hạn chế sự phát triển của tảo Trong trường hợp thực vật trôi nổi tự do như họ lục bình hay bèo tấm, chúng có thể bao phủ hoàn toàn bề mặt của wetland, tốc độ tăng trưởng của tảo sẽ bị hạn chế đến mức tối thiểu do thiếu ánh sáng Đây là mong muốn trong CW, bởi vì, khi thực vật phù du tăng trưởng mạnh, nó làm gia tăng các chất rắn lơ lửng trong dòng chảy (Kadlec and Knight, 1995)

Một ảnh hưởng quan trọng nữa của thực vật là, chúng đóng vai trò như mái nhà giữ

ấm cho nước trong wetland vào thời kỳ mùa đông (hình 1-1), đặc biệt là ở các vùng khí hậu ôn đới và hàn đới Khi sinh khối bị tuyết bao phủ, cây giúp giữ đất không bị đóng băng Các lớp sinh khối cũng giúp trong việc bảo vệ đất khỏi bị đóng băng trong mùa đông, mặt khác, nó cũng giữ cho đất mát hơn trong mùa hè Điều này đặc biệt quan trọng trong CW với dòng chảy dưới bề mặt (SSF) (Vymazal and Kröpfelová, 2008)

Hình 1-1: Ảnh hưởng của tán cây Phragmites australis đến vận tốc gió (bên trái)

và ảnh hưởng của lớp rác trong khu vực P australis đến nhiệt độ của đất

trong mùa đông và mùa hè tương ứng

Trong CW với dòng chảy đứng, nước thải chảy từ trên xuống dưới, sự có mặt của thực vật giúp ngăn ngừa sự tắc nghẽn của các chất có trong hệ thống Sự cử động của thực vật do tác động của gió,… giữ cho bề mặt đất mở ra, tạo điều kiện cho nước thấm vào trong đất bằng cách: tạo ra các lỗ hình khuyên trên bề mặt xung quanh thân cây Phần thân cây và lá cây ngập trong nước cung cấp một diện tích bề mặt rất lớn cho việc tạo màng sinh học

Hình 1-2: Periphyton phát triển trên thân cây Eleocharis cellulosa (Spikerush) và Utricullaria spp (Bladewort) ở Florida Everglades (trái và giữa) Bên phải chi tiết của các màng bọc

periphyton trên Eleocharis

(Nguồn: Vymazal and Kröpfelová, 2008)

Phần mô thực vật ngập trong nước (hình 1-2) bị thâm nhập bởi cộng đồng dày đặc của tảo cũng như vi khuẩn và động vật nguyên sinh Một mặt, tảo cung cấp oxy vào trong nước và tiếp nhận chất dinh dưỡng, mặt khác, periphyton dày đặc có thể hạn chế sự phát triển của thực vật ngập nước thông qua sự hấp thụ của ánh sáng (bức xạ cho hoạt động

quang hợp) trước khi tiếp xúc với bề mặt lá cây Điều này có thể gây ra sự suy giảm thực vật

Sinh khối dưới đất đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống dòng chảy ngầm dưới bề mặt (SSFW) Nó làm tăng hệ số thấm nước của bất kỳ loại đất nào có trong vật liệu nền của hệ thống SSFW và đặc biệt phát triển khi thời gian vận hành được ba năm, nó

sẽ ổn định và duy trì lỗ rỗng được tạo ra bởi bộ rễ sống và rễ chết (Kuschk, Wiessner et al 2006) Trong các hệ thống thực tế, điều này đã diễn ra ngược lại, hệ số thấm nước thường giảm dần theo thời gian hoạt động của hệ thống Nguyên nhân có thể được giải thích là do

bộ rễ của thực vật cung cấp các hợp chất cho hoạt động của các vi sinh vật Tổng lượng vi khuẩn tăng lên đáng kể trong vùng rễ Tổng số vi khuẩn ở khoảng cách từ bề mặt rễ đến

1 mm là cao hơn gấp 10 lần so với lượng vi khuẩn ở các khu vực nằm ở khoảng cách 15-20 mm tính từ bề mặt rễ Cả tính toán và việc soi kính hiển vi trực tiếp đều cho thấy, vi khuẩn bao phủ trên bề mặt rễ thường chiếm khoảng 5-10% Vi khuẩn riêng lẻ thường được định cư ở các hố trong thành tế bào của bộ rễ và tại mối nối của tế bào Các loài thực vật khác nhau có khả năng ảnh hưởng khác nhau đến quần thể vi khuẩn ở vùng rễ (Kuschk, Wiessner et al., 2006)

Thực vật trong wetland đòi hỏi chất dinh dưỡng cho sự phát triển và sinh sản Khi thực vật trong wetland có tăng trưởng mạnh, một lượng đáng kể các chất dinh dưỡng có thể nằm trong sinh khối (đối với thực vật nổi trên mặt nước xem phần 2.3.8, đối với nitơ và

phosphor ở phần 2.4.2) Eichhornia crassipes sinh trưởng cho năng suất cao, có dung

lượng hấp thụ cao và dự trữ chất dinh dưỡng có thể đạt 230 g.N.m-2 và 30 g.P.m-2 Trong khi đó, dự trữ dinh dưỡng của thực vật ngập trong nước thấp hơn nhiều (<20 g.N.m-2 và

<3 g.P.m-2 Tuy nhiên, lượng chất dinh dưỡng có thể được loại bỏ bằng cách thu hoạch nhìn chung là không đáng kể so với lượng chất dinh dưỡng có nước thải đưa vào CW để

xử lý (Fux, Boehler et al., 2002)

Thực vật thủy sinh giải phóng oxy từ rễ vào vùng rễ, lượng oxy được giải phóng này gây ảnh hưởng đến chu trình sinh địa trong trầm tích, do nó có các tác động đến trạng thái oxy hóa khử của các trầm tích Oxy được tiết ra từ rễ có thể thúc đẩy quá trình nitrat hóa, kết tủa Fe và Mn, hòa tan các kết tủa sulfur hoặc quá trình oxy hóa của các hợp chất độc hại (Flessa 1991) Bộ rễ cũng tiết ra các chất khác ngoài oxy, những chất này là những hợp chất hữu cơ như: các axit hữu cơ, các axit amin, phytometallophores, peptide (phytochelatins), alkaloids, phenolics, terpenoid hoặc steroid Hàm lượng của các chất này vẫn chưa rõ ràng, nhưng nói chung, chúng nằm trong khoảng 5-25% của carbon quang hợp (Faulwetter, Gagnon et al 2009)

Chức năng của các dịch tiết ra từ bộ rễ các hợp chất hóa học rất đa dạng như các axit amin, các hợp chất hữu cơ, các hợp chất của phenon Các hợp chất này ngoài chức năng cung cấp nguồn carbon cho hoạt động của vi sinh vật, nó còn có chức năng khác như chất ức chế (kháng) thực vật, kháng khuẩn Chất ức chế thực vật đã được tìm thấy trong

wetland, Các hóa chất gây ức chế thực vật được tìm thấy trong hệ thống wetland gồm nhiều nhóm hóa chất, đặc biệt là phenon, các axit hữu cơ, hormon thực vật và các chất chuyển hóa thực vật của các axit amin thơm, các axit béo mạch dài và các hợp chất của lưu huỳnh Tuy nhiên, vẫn chưa rõ chất ức chế thực vật có thể ảnh hưởng đến các thực vật trong CW như thế nào (Helal, 1989)

Quan trọng hơn đối với các quá trình xử lý nước thải là việc tiết ra các hợp chất kháng khuẩn từ rễ của thực vật trong wetland Một số nghiên cứu chỉ ra rằng, chất kháng

khuẩn chủ yếu là các alkaloid được tiết ra từ Nuphar lutea Ngoài ra Scirpus (Schoenoplectus) lacustris (Bulrush) cũng tiết ra chất kháng sinh từ rễ của nó và các chất này có thể loại bỏ các loại vi khuẩn (coliforms, salmonella và enterococci) khỏi nước bị ô

nhiễm bằng cách: cho nước thải chứa các loại vi khuẩn trên đi qua thảm thực vật bulrushes

Những loài như Mentha aquatica, Phragmites australis và Scirpuslacustris đều tiết ra chất

kháng khuẩn Các chất được tiết ra từ bộ rễ của nhiều loài thực vật đất ngập nước có khả năng kháng khuẩn đó là các axit tannic và gallic Tuy nhiên, các hợp chất khác cũng có thể kháng khuẩn tốt (Vymazal, Brix et al., 1998)

Hình 1-3: Hình ảnh của loài Iris pseudacorus

(Nguồn: Kadlec and Knight, 1995)

Phytometallophores và phytochelatins rất quan trọng đối với vòng tuần hoàn của kim loại nặng trong CW Phytometallophores là dịch amino-axit béo (không phải là protein) được tiết ra từ bộ rễ Chúng có thể tạo các hợp chất phức vòng càng với Fe, Cu,

Zn và Mn, qua đó làm cho các ion này trở nên linh động Phức vòng càng của kim loại sau

đó có thể được rễ tiếp nhận Phytochelatins có thể tạo phức ở dạng peptide với các kim loại nặng chủ yếu ở thực vật bậc cao Chúng giống với metallothioneinlike trong các hoạt động, nhưng khác với nó về cấu trúc và thành phần hóa học (L-cystein, L-glutamate và glycine theo tỷ lệ 4:4:1) Sự tổng hợp các peptide này có thể được tạo bởi Cu, Cd, Hg, Pb và Zn Các thực vật tiết ra phytochelatins để làm giảm tới mức tối đa hoặc tránh ngộ độc kim loại nặng (Kadlec and Knight 1995)

Thực vật trong CW cũng có thể có các chức năng này, chúng không liên quan trực tiếp đến quá trình xử lý nước Hệ thống xử lý lớn có thể được hỗ trợ bởi động vật hoang dã

đa dạng, bao gồm động vật có vú, chim, động vật không xương sống, cá, bò sát và lưỡng

cư Thực vật đang phát triển trong CW thường không được sử dụng cho mục đích khác vì

số lượng hạn chế và chất lượng chưa ổn định Tuy nhiên, ở châu Phi, các thực vật đặc biệt

là Phragmites mauritianus, được sử dụng cho các mục đích sản xuất khác nhau như thảm,

hàng rào, mái nhà, mặc dù chất lượng của những cây này trong hệ thống xử lý wetland

thường không cao Ngoài ra, chúng còn được sử dụng làm cây trang trí như Iris pseudacorus, Canna spp (Canna lily), Butomus umbellatus, Filipendula ulmaria, các loài

thực vật này có thể được lựa chọn để xây dựng các hệ thống wetland nhỏ để tạo ra một phần vẻ đẹp cho không gian xung quanh

Hình 1-4: Hình ảnh loài Butomus umbellatus

(Nguồn: Kadlec and Knight, 1995)

Hình 1-5: Hình ảnh loài Filipendula ulmaria

(Nguồn: Kadlec and Knight, 1995)

1.1.4 Phân loại wetland

Wetland có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau Trong lịch sử, wetland

đã được chia thành loại nước ngọt và loại nước lợ Wetland nước ngọt được chia thành các vũng lầy, bãi lầy, đầm lầy và hệ thống nước sâu Wetland nước lợ bao gồm các bãi thủy triều, đầm lầy nước mặn và rừng ngập mặn

Một hệ thống đã được công bố về phân loại wetland dựa vào các vị chỉ địa lý bao gồm: ven sông, rìa sông, miền trũng và đất than bùn Cách phân loại hệ thống theo cách này khác ở chỗ, nó không mô tả các chức năng nhất định đối với mỗi loại hệ thống như là một phần của quá trình phân loại

Theo hệ thống của Brinson, wetland trũng là những vùng trũng nằm trong vùng lưu vực có dòng chảy qua bề mặt nhỏ Wetland vùng trũng thường nằm ở đầu nguồn của một

hệ thống thoát nước tại địa phương Wetland vùng trũng bao gồm những cái vùng chứa, hồ lòng chảo nhỏ, hồ chứa nhỏ và vịnh nhỏ Wetland ven sông hình thành một dải khắp khu vực ven sông, suối, kênh và các vùng di chuyển của nước Wetland ven sông hình thành ở cửa sông, nơi thủy triều thường xuyên diễn ra hoặc trong các hồ, nơi nước di chuyển vào

và ra khỏi các vùng đất ngập nước từ những tác động của gió và sóng Vùng đất than bùn

là wetland bị chi phối bởi một chất nền là than bùn Những loại wetland này bao gồm các bãi lầy được phủ thảm thực vật (Brinson, 1993)

Cách phổ biến nhất để phân loại các wetland là theo hệ thống được phát triển bởi Cowardin: Theo cách phân loại này wetland được phân thành năm loại cơ bản căn cứ vào: biển, cửa sông, ven sông, hồ và đầm lầy Các loại chính hoặc các hệ thống chủ yếu dựa trên cơ sở thủy văn cho các wetland Mỗi hệ thống có thể được tiếp tục chia thành các hệ thống con, các lớp, các nhóm con và chủ yếu dựa vào dạng tồn tại hoặc các chất nền của các wetland (Cowardin, Carter et al., 1979)

Wetland ven sông bao gồm tất cả các wetland và môi trường nước sâu được tìm thấy trong nhánh sông, mà trong đó nó chịu tác động, chi phối bởi cây xanh, bụi cây, các loài thực vật trôi nổi, rong nổi và địa y Wetland đầm lầy bao gồm tất cả vùng đất ngập nước không có thủy triều, nó chịu chi phối bởi cây xanh, bụi cây, các loài thực vật nổi, rong rêu nổi hoặc địa y Wetland đầm lầy được bao quanh bởi vùng cao hoặc bất kỳ loại hình khác của wetland và có thể được nằm ở mép hồ hoặc mép sông hay trong vùng ngập

lũ Wetland hồ bao gồm wetland và môi trường nước sâu được tìm thấy trong chỗ lõm địa hình hoặc các nhánh sông đắp đập, nơi thiếu cây, bụi cây, các loài thực vật nổi, rêu hoặc địa y và vượt quá kích thước 8 ha Wetland ven sông là wetland vùng trũng và wetland đầm lầy, tất cả là các hệ thống nước ngọt

CW thường được phân loại như đầm lầy, mặc dù các vùng nước mở thường là một phần của hệ thống xử lý

1.2 CƠ CHẾ LOẠI BỎ CÁC CHẤT Ô NHIỄM THÔNG THƯỜNG

Căn cứ vào các chức năng và các quá trình sinh hóa xảy ra trong wetland như là một kết quả của bão hòa nước lâu dài, hệ thống CW có khả năng loại bỏ cũng như lọc các chất ô nhiễm trực tiếp có trong nước Cơ chế loại bỏ có thể diễn ra rất độc đáo, tuần tự, hoặc đồng thời trên mỗi nhóm chất ô nhiễm hoặc các loại chất ô nhiễm Hình 1-6 minh họa các quá trình diễn ra trong quá trình xử lý bằng wetland, trong hệ thống có thể diễn ra các quá trình phi sinh học như vật lý, hóa học, hoặc quá trình sinh học như hoạt động của vi khuẩn, của thực vật thủy sinh

Các cơ chế được sử dụng để xử lý, loại bỏ các chất gây ô nhiễm phụ thuộc vào các chất gây ô nhiễm cụ thể, điều kiện vị trí, đối tượng loại bỏ và các vấn đề về quản lý (Nguyen, 2011) Hình 1-6 minh họa các quá trình diễn ra trong quá trình xử lý bằng wetland, trong hệ thống có thể diễn ra các quá trình phi sinh học như vật lý, hóa học, hoặc quá trình sinh học như hoạt động của vi khuẩn, của thực vật thủy sinh Các cơ chế được sử dụng để xử lý, loại bỏ các chất gây ô nhiễm phụ thuộc vào các chất gây ô nhiễm cụ thể, điều kiện vị trí, đối tượng loại bỏ và các vấn đề về quản lý (Nguyen, 2011)

Hình 1-6: Các quá trình diễn ra trong Wetland

1.2.1 Quá trình phi sinh học

Các quá trình vật lý và hóa học chính có vai trò trong việc loại bỏ chất gây ô nhiễm trong wetland bao gồm những quá trình sau đây:

• Lắng đọng, tạo trầm tích;

• Hấp phụ;

• Quá trình oxy hóa khử, kết tủa;

• Phân hủy quang hóa, oxy hóa;

4

→ CO

Quá trình hóa lý như lắng đọng và tạo trầm tích, các quá trình này loại bỏ hiệu quả các hạt vật chất và chất rắn lơ lửng Khi các hạt chất rắn cũng như các kết tủa được tích tụ dưới dạng trầm tích được lưu giữ ngắn hạn hoặc cố định lâu dài, chúng sẽ đóng vai trò làm vật liệu hấp phụ, qua đó, các chất gây ô nhiễm sẽ tiếp tục được loại bỏ theo cơ chế hấp phụ Hấp thu bao gồm các quá trình kết hợp của sự hấp phụ và hấp thụ Kết tủa hóa học liên quan đến việc chuyển hóa của các kim loại hòa tan trong dòng chảy thành dạng rắn không hòa tan, chúng lắng xuống và được tách ra khỏi nước Những phản ứng này rất đặc trưng và là một phương pháp hiệu quả để loại bỏ các kim loại độc hại trong các wetland (Nguyen, 2011) Phân hủy quang hóa liên quan đến sự khử hay quá trình oxy hóa của các hợp chất trong sự có mặt của ánh sáng mặt trời Bay hơi diễn ra khi các hợp chất dễ bay hơi phân tán trong dung dịch chuyển vào trạng thái khí (xem hình 1-7 và 1-8)

Hình 1-7: Cơ chế phi sinh học xử lý các hợp chất hữu cơ trong hệ thống wetland

Hình 1-8: Cơ chế phi sinh học xử lý các hợp chất vô cơ trong hệ thống wetland

24 |

1.2.2 Quá trình sinh học

Ngoài các quá trình phi sinh học, các quá trình sinh học như: phân hủy sinh học và

sự hấp thu của thực vật là nguyên nhân chính để loại bỏ các chất gây ô nhiễm Một số quá trình vi sinh, quá trình của thực vật thủy sinh diễn ra trong wetland được chỉ ra dưới đây (Vymazal, Brix et al 1998):

• Quá trình trao đổi chất - phân hủy sinh học hiếu khí hoặc kỵ khí;

• Quá trình tiếp nhận của thực vật thủy sinh hoặc tạo ra sự ổn định bằng thực vật;

• Quá trình phân hủy bằng thực vật/phân hủy ở bộ rễ;

• Quá trình bay hơi bởi thực vật/bốc hơi nước

Các quá trình trao đổi chất của vi sinh vật đóng một vai trò quan trọng trong việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ trong môi trường hiếu khí/kỵ khí của wetland (xem hình 1-9) Thực vật hoặc là chịu trách nhiệm cho sự hấp thu trực tiếp của chất gây ô nhiễm có nhu cầu chất dinh dưỡng, hoặc là thông qua bộ rễ cung cấp các dịch tiết ra, từ đó kích thích sự phân hủy các hợp chất hữu cơ của vi sinh vật Loại bỏ bằng thực vật diễn ra khi các enzym

do thực vật tạo ra phân hủy các chất gây ô nhiễm (hữu cơ và vô cơ), các sản phẩm phân hủy này đi vào thực vật trong quá trình bay hơi

Hình 1-9: Cơ chế sinh học xử lý các hợp chất hữu cơ trong hệ thống wetland

Tích lũy của thực vật thủy sinh là sự hấp thu và tích tụ của các nguyên tố vô cơ vào thực vật, và tạo ra sự ổn định của thực vật, hay nói cách khác đó chính là khả năng hấp thụ các hợp chất vô cơ trong bộ rễ (xem hình 1-10) Bay hơi thông qua thực vật là sự hấp thu

và sự di chuyển tiếp theo của các hợp chất dễ bay hơi qua lá cây Bay hơi qua thực vật có thể không mong muốn, trong một số trường hợp các chất gây ô nhiễm chỉ chuyển được từ nước vào không khí thông qua con đường này (Vymazal, Brix et al., 1998)

TS Nguyễn Hoàng Nam Thiết kế constructed wetland cho xử lý nước thải

• Quá trình tiếp nhận của thực vật thủy sinh hoặc tạo ra sự ổn định bằng thực vật

• Quá trình phân hủy bằng thực vật/phân hủy ở bộ rễ

• Quá trình bay hơi bởi thực vật/bốc hơi nước Các quá trình trao đổi chất của vi sinh vật đóng một vai trò quan trọng trong việc loại

bỏ các hợp chất hữu cơ trong môi trường hiếu khí/kỵ khí của wetland (xem hình 1-9) Thực vật

hoặc là chịu trách nhiệm cho sự hấp thu trực tiếp của chất gây ô nhiễm có nhu cầu chất dinh

dưỡng, hoặc là thông qua bộ rễ cung cấp các dịch tiết ra, từ đó kích thích sự phân hủy các hợp

chất hữu cơ của vi sinh vật Loại bỏ bằng thực vật diễn ra khi các enzym do thực vật tạo ra phân

hủy các chất gây ô nhiễm (hữu cơ và vô cơ), các sản phẩm phân hủy này đi vào thực vật trong

quá trình bay hơi

Hình 1-9: Cơ chế sinh học xử lý các hợp chất hữu cơ trong hệ thống wetland

Tích lũy của thực vật thủy sinh là sự hấp thu và tích tụ của các nguyên tố vô cơ vào thực vật, và tạo ra sự ổn định của thực vật, hay nói cách khác đó chính là khả năng hấp thụ các hợp

chất vô cơ trong bộ rễ (xem hình 1.10) Bay hơi thông qua thực vật là sự hấp thu và sự di chuyển

tiếp theo của các hợp chất dễ bay hơi qua lá cây Bay hơi qua thực vật có thể không mong muốn,

trong một số trường hợp các chất gây ô nhiễm chỉ chuyển được từ nước vào không khí thông

qua con đường này (Vymazal, Brix et al 1998)

Quá trình bay hơi bởi thực vật

Thực vật ngoi trên mặt nước

Hợp chất hữu cơ

Dòng chảy trực tiếp

Phân huỷ của bộ rễ Mực rác

Tạo ra sự ổn định của thực vật

25 |

Hầu hết các phản ứng hóa học chuyển hóa chất ô nhiễm diễn ra trong vùng nước wetland, trong mùn hữu cơ và ở các khu vực xung quanh bộ rễ Việc chuyển hóa này là kết quả của các hoạt động mạnh của vi sinh vật diễn ra ở các loại đất Cơ chế loại bỏ sinh học bao gồm hô hấp của vi sinh vật hiếu khí, lên men vi sinh yếm khí và vi khuẩn tạo khí methan, sự hấp thu của thực vật, phản ứng enzyme ngoại bào và nội bào, tiết ra các chất kháng sinh và vi sinh vật ăn thịt và quá trình chết đi của các sinh vật và vi sinh vật

Hình 1-10: Cơ chế sinh học xử lý các hợp chất vô cơ trong hệ thống wetland

Ở các khu vực trầm tích trong wetland, các vi sinh vật hoạt động mạnh do tỷ lệ của carbon hữu cơ cố định bởi thực vật trong wetland rất cao Các quần thể vi sinh vật tồn tại

đa dạng trong vùng đất mọc rễ, lớp mùn hữu cơ và các bề mặt chìm của lá cây và thân cây Các vi sinh vật này đóng vai trò quan trọng đối với hầu hết các quá trình chuyển hóa của các chất gây ô nhiễm trong wetland

Dòng chảy của nước trong wetland tiếp xúc với các loại vi khuẩn có trong trầm tích

và đất (lớp rác dày đặc và xốp), các vi sinh vật này thực hiện chức năng loại bỏ các chất ô nhiễm và sử dụng chúng như là một nguồn dinh dưỡng Sự đa dạng của vi sinh vật được tập trung ở các vùng chuyển tiếp giữa các vùng từ hiếu khí sang vùng kỵ khí trong các lớp rác, lớp trầm tích và lớp đất Chúng đa dạng về cộng đồng của các vi sinh vật, ngay cả trong các khu vực kị khí, ở vùng sâu hơn cũng tồn tại vùng "vi" hiếu khí (vùng rễ), nơi vi sinh vật kỵ khí có thể chia sẻ các chất chuyển hóa với các vi sinh vật hiếu khí lân cận Các mối quan hệ cộng sinh giữa thực vật và vi sinh vật rất phức tạp Thực vật và vi sinh vật thường ảnh hưởng qua lại với nhau, ví dụ, bằng cách trao đổi các chất dinh dưỡng hoặc các dịch tiết ra từ bộ rễ

TS Nguyễn Hoàng Nam Thiết kế constructed wetland cho xử lý nước thải

Hình 1-10: Cơ chế sinh học xử lý các hợp chất vô cơ trong hệ

thống wetland

Hầu hết các phản ứng hoá học chuyển hóa chất ô nhiễm diễn ra trong vùng nước wetland, trong mùn hữu cơ và ở các khu vực xung quanh bộ rễ Việc chuyển hóa này là kết quả của các hoạt động mạnh của vi sinh vật diễn ra ở các loại đất Cơ chế loại bỏ sinh học bao gồm

hô hấp của vi sinh vật hiếu khí, lên men vi sinh yếm khí và vi khuẩn tạo khí methan, sự hấp thu của thực vật, phản ứng enzyme ngoại bào và nội bào, tiết ra các chất kháng sinh và vi sinh vật

ăn thịt và quá trình chết đi của các sinh vật và vi sinh vật

Ở các khu vực trầm tích trong wetland, các vi sinh vật hoạt động mạnh do tỷ lệ của carbon hữu cơ cố định bởi thực vật trong wetland rất cao Các quần thể vi sinh vật tồn tại đa dạng trong vùng đất mọc rễ, lớp mùn hữu cơ và các bề mặt chìm của lá cây và thân cây Các vi sinh vật này đóng vai trò quan trọng đối với hầu hết các quá trình chuyển hóa của các chất gây

ô nhiễm trong wetland

Dòng chảy của nước trong wetland tiếp xúc với các loại vi khuẩn có trong trầm tích và đất (lớp rác dày đặc và xốp), các vi sinh vật này thực hiện chức năng loại bỏ các chất ô nhiễm

và sử dụng chúng như là một nguồn dinh dưỡng Sự đa dạng của vi sinh vật được tập trung ở các vùng chuyển tiếp giữa các vùng từ hiếu khí sang vùng kỵ khí trong các lớp rác, lớp trầm tích và lớp đất Chúng đa dạng về cộng đồng của các vi sinh vật, ngay cả trong các khu vực kị khí, ở vùng sâu hơn cũng tồn tại vùng "vi" hiếu khí (vùng rễ), nơi vi sinh vật kỵ khí có thể chia

sẻ các chất chuyển hóa với các vi sinh vật hiếu khí lân cận Các mối quan hệ cộng sinh giữa

Thực vật ngoi trên mặt nước Quá trình bay hơi bởi thực vật

Dòng chảy trực tiếp

Tạo ra sự ổn định của thực vật

Mực rác

1.3 CƠ CHẾ LOẠI BỎ CÁC CHẤT Ô NHIỄM ĐẶC BIỆT

Các quá trình loại bỏ chất gây ô nhiễm chủ yếu trong wetland là lắng đọng, chuyển hóa sinh học (vi sinh vật và thực vật làm trung gian), và tiếp nhận của thực vật Hiện tượng diễn ra ở các bề mặt như hấp thụ cũng rất quan trọng Việc kết hợp các quá trình sinh học

và phi sinh học tạo ra sự tương hỗ, cho phép xử lý hiệu quả của một loạt các chất gây ô nhiễm (Vymazal, Brix et al., 1998) Các chất ô nhiễm có tính chất hóa học và (hoặc) tính chất vật lý tương tự nhau có thể được loại bỏ theo các cơ chế tương tự như nhau Do đó, chất gây ô nhiễm có thể được xếp vào các nhóm chung, nhóm cơ học, phụ thuộc vào tính chất hóa lý của chúng Bảng 1-2 tóm tắt một số nhóm chính của chất gây ô nhiễm và các

cơ chế loại bỏ chính của chúng ở trong hệ thống wetland Cơ chế ít quan trọng hơn và quá trình thứ cấp, tam cấp, hoặc quá trình cuối cùng không được tính đến, quá trình tiền xử lý cũng không nằm trong cơ chế này

Bảng 1-2: Cơ chế chính loại bỏ chất gây ô nhiễm

(Nguồn: Vymazal, Brix et al., 1998)

Nhóm chất gây ô nhiễm hoặc

chỉ tiêu chất lượng nước

Nhu cầu oxy

- PAHs, dung môi clo và

không clo, thuốc trừ sâu, thuốc

diệt cỏ, thuốc trừ sâu

Khuếch tán/bay hơi, lắng đọng

Oxy hóa quang hóa

Phân hủy sinh học/loại bỏ bằng thực vật/bay hơi thông qua thực vật/bốc hơi

Al, As, Cd, Cr, Cu, Fe, Pb, Mn,

Ni, Se, Ag, Zn

Lắng đọng

Kết tủa/Hấp phụ/ trao đổi ion

Phân hủy sinh học/loại bỏ bằng thực vật/bay hơi thông qua thực vật

Vi sinh

1.3.1 Tổng chất rắn lơ lửng

Một trong những cơ chế loại bỏ các chất rắn lơ lửng trong hệ thống dòng chảy ngang (HFCW) là keo tụ, lắng đọng các hạt keo và các hạt huyền phù Cơ chế loại bỏ hiệu quả khác trong hệ thống CW là lắng trọng lực, bắt giữ và nắm bắt vật lý, hấp phụ trên màng sinh học gắn trên sỏi và bộ rễ trong hệ thống

Hiệu quả loại bỏ của tổng chất rắn lơ lửng (TSS) tỷ lệ thuận với vận tốc lắng của các hạt và chiều dài của wetland Trong hệ thống wetland, với sự có mặt của thân cây và lá cây cũng như sự có mặt của vật liệu nền như đá, sỏi nó làm giảm vận tốc dòng chảy, qua

đó thúc đẩy tốc độ lắng và làm tăng các hiệu ứng lọc các chất rắn lơ lửng

Việc giữ các hạt chất rắn lơ lửng do vật liệu lọc có thể diễn ra rất hiệu quả khi: tỷ lệ giữa đường kính của các hạt chất rắn lơ lửng được loại bỏ và đường kính của các hạt vật liệu lọc là ≥ 0,05 Ngoài ra, lực hấp dẫn đóng một vai trò quan trọng trong việc bắt giữ các hạt lớn hơn có kích thước lớn hơn 5 µm Hiệu quả loại bỏ tỷ lệ thuận với bình phương của đường kính của các hạt chất rắn lơ lửng, có nghĩa là tỷ lệ loại bỏ tăng khi đường kính của hạt chất rắn lơ lửng tăng (Kadlec and Knight, 1995)

Tỉ lệ hô hấp của vi sinh vật và sinh khối có liên quan đáng kể đến các chất hữu cơ

ổn định trong hệ thống Như vậy, các thông số vi sinh vật có thể được sử dụng để dự đoán tính chất của hạt chất hữu cơ tích lũy Việc sục khí làm tăng cường khả năng loại bỏ của TSS trong tất cả các mùa bằng cách duy trì không gian trống ở phần đầu của lớp sỏi Việc giảm độ dẫn thủy lực của bed làm tăng việc giữ các chất rắn không phân hủy trong nước, các chất rắn này thường chiếm 98,4% trong tổng số các chất rắn lơ lửng Quá trình lọc là phương pháp chính để loại bỏ TSS trong hệ thống HFCW, quá trình này có thể loại bỏ được khoảng 75%, tiếp đến là thông qua con đường phân hủy sinh học đạt 15% (Kadlec and Knight, 1995)

1.3.2 Tổng carbon hữu cơ và nhu cầu oxy

Nước thải có chứa một loạt các hợp chất hữu cơ, chúng được xác định ở dạng như nhu cầu oxy sinh hóa (BOD), nhu cầu oxy hóa học (COD) và tổng carbon hữu cơ (TOC) Các con đường chính để loại bỏ carbon hữu cơ bao gồm: bay hơi, quá trình oxy hóa quang hóa, tạo trầm tích, hấp phụ và phân hủy sinh học (xem hình 1-11) Các chất ô nhiễm hữu

cơ hấp phụ lên hạt chất rắn lơ lửng chảy vào hệ thống wetland và được lắng xuống trong nước tĩnh, sau đó chúng bị chia nhỏ bởi hoạt động của các vi sinh vật trong các lớp trầm tích

Các phân tử hữu cơ bị phân hủy bởi các vi sinh vật thông qua các quá trình lên men

và quá trình hô hấp hiếu khí/kỵ khí và quá trình khoáng hóa như là một nguồn năng lượng hoặc đồng hóa thành sinh khối Hiệu quả và tốc độ phân hủy carbon hữu cơ bởi vi sinh vật rất đa dạng và phụ thuộc vào các hợp chất hữu cơ có mặt ở trong nước đầu vào Bay hơi

cũng có thể là một cơ chế loại bỏ quan trọng trong các sản phẩm phân hủy sinh học các chất hữu cơ (Council, 2001)

Các hợp chất hữu cơ có chứa khoảng 45-50% carbon BOD là thước đo oxy cần thiết cho các vi sinh vật để oxy hóa các hợp chất hữu cơ Nước thải có chứa hàm lượng chất hữu cơ cao, có thể được xử lý hiệu quả đến tiêu chuẩn quy định bằng việc sử dụng wetland Một loạt các phản ứng có thể được diễn ra trong hệ thống wetland để loại bỏ các hợp chất hữu cơ có trong nước đầu vào Chúng bao gồm hô hấp hiếu khí và lên men; tạo khí methan; khử sulfat, khử sắt và khử nitrat trong vùng kỵ khí (Nguyen, 2011)

Hình 1-11 Cơ chế loại bỏ các hợp chất hữu cơ trong wetland

Hô hấp là quá trình chuyển hóa carbohydrate thành carbon dioxide, còn lên men là quá trình chuyển hóa carbohydrate thành axit lactic hoặc ethanol và carbon dioxide Các quá trình sinh học cung cấp cơ chế sinh học để loại bỏ các hợp chất hữu cơ, thuốc trừ sâu,

và các sản phẩm dầu khí có trong nước thải Trong wetland, carbon hữu cơ bị phân hủy thành carbon dioxide / methane và / hoặc được tích trữ trong các thực vật, các thực vật chết, các vi sinh vật hoặc than bùn Việc hình thành than bùn diễn ra khi tốc độ phân hủy chất hữu cơ thấp hơn so với tốc độ lắng đọng của các chất hữu cơ Một phần quan trọng của BOD có thể là dạng hạt, do đó, nó dễ bị loại bỏ bằng con đường lắng đọng các hạt (Caraballo, Nieto et al., 2009)

1.3.3 Hydrocarbon

Hydrocarbon bao gồm một loạt các hợp chất, nó được hình thành trong cả tự nhiên

và trong cả quá trình nhân tạo, do sự phát triển của công nghiệp Thành phần hóa học của chúng bao gồm carbon và hydro Về mặt hóa học, các hydrocarbon có thể được chia thành hai nhóm chính là hydrocarbon béo và các hợp chất thơm Các hydrocarbon béo có thể được chia thành ba nhóm chính là ankane, các ankene, và cycloankan Về mặt hóa học, các hợp chất béo và các hợp chất thơm có thể được phân biệt bằng các liên kết giữa các nguyên

Ankan (cả carbon mạch thẳng, carbon mạch nhánh và mạch vòng) là những hợp chất đơn giản được đặc trưng bởi những liên kết đơn giữa C-C Các ankan phổ biến nhất bao gồm metan, butan, propan và và được xem như là thành phần của xăng, JP-4 (nhiên liệu máy bay phản lực), dầu diesel, dầu hỏa Ankan có thể được clo hóa (có chứa một hoặc nhiều nguyên tử clo) để tạo ra dẫn xuất của clo là hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC), trong đó bao gồm những chất gây ô nhiễm môi trường như trichloroethylene, tetrachloroethylene, và vinyl chloride

Anken có một hoặc nhiều liên kết đôi giữa các nguyên tử carbon, trong khi cycloankan là ankan mạch vòng Anken và cycloankan được tìm thấy hầu như chỉ có trong xăng và JP-4

Các hợp chất thơm có một hoặc nhiều vòng benzen là dẫn xuất của benzen Benzen

là một hợp chất vòng gồm sáu nguyên tử cacbon và sáu nguyên tử hydro (C6H6) Các hợp chất thơm phổ biến đơn giản thường gặp là các chất ô nhiễm môi trường như benzene, toluene, xylene và một nhóm rất phổ biến của các hợp chất thơm là các hợp chất hydrocarbon thơm đa vòng (PAH), nó là sản phẩm của quá trình sản xuất hóa chất, trong môi trường tự nhiên là kết quả của sự chuyển hóa của các hợp chất hữu cơ trong quá trình đốt cháy hoặc cháy không hoàn toàn Ví dụ: acenapththylene, acenaphthene, benzo(a)anthracene, fluorene, và pyrene

Các hợp chất bị phân hủy trong CW tùy thuộc vào loại hóa chất khác nhau Tuy nhiên, có rất ít thông tin về khả năng của các CW xử lý các hợp chất hydrocarbon bền như polychlorinated biphenyls (PCBs) và thuốc trừ sâu clo như DDT và dieldrin

Các con đường chính để loại bỏ các hydrocacbon trong hệ thống CW là quá trình bay hơi, quá trình oxy hóa quang hóa, tạo trầm tích, hấp phụ và phân hủy sinh học hoặc vi sinh vật Bay hơi là con đường loại bỏ chính đối với các hợp chất của ankan, các hợp chất hữu cơ có mạch carbon ngắn, chúng ít tan trong nước và dễ bị phân hủy thành các hợp chất

dễ bay hơi Trong khi đó, các hợp chất thơm tan nhiều hơn trong nước, chúng có nhiều tác động khác nhau làm tăng khả năng hòa tan trong nước Các hợp chất có khối lượng phân tử lớn bị phân hủy chậm hơn so với các hợp chất có khối lượng phân tử thấp hơn (Cooper, Job et al., 1996, Mulamoottil, McBean et al., 1999)

Phân hủy sinh học là một trong những cơ chế chi phối xử lý hydrocarbon Quá trình phân hủy sinh học xảy ra cả trong điều kiện hiếu khí và kỵ khí, tùy thuộc vào nguồn cung cấp oxy (oxy phân tử hay hợp chất chứa oxy như NO3-, SO42-…) và các cấu trúc phân tử của các hợp chất hữu cơ Oxy ở dạng phân tử là chất nhận electron, về mặt nhiệt động, nó được các vi khuẩn hiếu khi ưa chuộng nhất cho việc sử dụng chúng trong quá trình phân hủy của carbon hữu cơ, tốc độ phân hủy sinh học của hydrocacbon trong môi trường hiếu khí là nhanh hơn trong môi trường yếm khí Tuy nhiên, sự có mặt của các chất oxy hóa khác như: nitrat, sắt(III), mangan (IV) và sulfat trong wetland đóng vai trò như là chất

nhận electron trong quá trình phân hủy sinh học kỵ khí để xử lý các hợp chất hydrocarbon (Kuschk, Wiessner et al 2006) Quá trình phân hủy sinh học trong môi trường wetland cũng có thể giải phóng các hợp chất hữu cơ chứa clo dễ bay hơi (VOC) thông qua quá trình loại bỏ clo Quá trình loại bỏ các hợp chất VOC điển hình dưới đây có thể diễn ra như sau:

Ví dụ loại bỏ tetrachloroethylene: Quá trình loại bỏ diễn ra như sau: giai đoạn đầu tiên là khử tetrachloroethylene thành trichloroethylene, tiếp đến là khử nó thành dichloroethylene sau đó chuyển hóa thành vinyl clorua và cuối cùng thành ethene

Quá trình ammoni hóa là một quá trình đặc biệt quan trọng của quá trình dị hóa các axit amin và có thể diễn ra nhiều loại phản ứng loại bỏ amin như sau:

Amino axit à Imino axit à Keto axit à NH3 (1-1) Quá trình này có thể diễn ra trong lớp đất có tinh oxy hóa Mặt khác, sự loại bỏ amin cũng có thể diễn ra theo con đường khử trong các lớp đất có tính khử:

Amino axit à axit bão hòa à NH3 (1-2)

Về mặt động học, quá trình ammoni hóa có tốc độ diễn ra nhanh hơn quá trình nitrat hóa Quá trình ammoni hóa xảy ra ở tất cả các độ sâu của đất thoáng khí, nhưng ở mức độ khác nhau Quá trình này diễn ra với một tốc độ chậm hơn nhiều trong hệ thống đất ngập nước và chậm hơn trong hệ thống đất có dòng nước chảy qua Tốc độ khoáng hóa diễn ra nhanh nhất trong môi trường có oxy, nó giảm dần từ vùng hiếu khí đến vùng kỵ khí

tự nhiên, cho đến kị khí cưỡng bức Sự đóng góp của quá trình khoáng hóa nitơ trong môi trường hiếu khí về mặt tổng thể là rất nhỏ so với quá trình khoáng hóa kỵ khí tự nhiên và khoáng hóa kỵ khí cưỡng bức Tốc độ ammoni hóa trong wetland phụ thuộc vào nhiệt độ, giá trị pH, tỷ lệ C/N, dư lượng các chất dinh dưỡng có sẵn trong hệ thống, điều kiện đất

như kết cấu và cấu trúc, enzyme (như protease), sinh khối, vi sinh vật và môi trường oxy hóa khử của đất (Kadlec and Knight, 1995)

Quá trình nitrat hóa là sự hình thành nitrat hoặc nitrit từ các hợp chất chứa nitơ ở dạng khử (như ammonia) và oxy là nguồn nhận điện tử bằng con đường sinh học Quá trình nitrat hóa thường diễn ra kết hợp với các vi khuẩn tự dưỡng (chemoautotrophic), mặc

dù quá trình nitrat hóa dị dưỡng xảy ra và đóng góp khá quan trọng vào quá trình này

Các loài vi khuẩn chuyển hóa nitơ thường là vi khuẩn hiếu khí, mặc dù các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, chúng có thể có quá trình trao đổi chất trong môi trường kỵ khí Vi khuẩn nitrat lấy năng lượng từ quá trình oxy hóa ammonia hoặc nitrit với C có nguồn gốc

từ CO2 hoặc cacbonat Hai bước riêng biệt tham gia vào quá trình nitrat hóa diễn ra như sau:

Bước đầu tiên, là quá trình oxy hóa ammoni thành nitrit với hydroxylamine và NO

là chất trung gian, chủ yếu là do các vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrosospira thực hiện

NH4+ + 1,5O2à NO2- + 2H+ + H2O (1-3) Hydroxylamine là một hợp chất trung gian trong quá trình oxy hóa ammoni Mặc

dù phần lớn các quá trình oxi hóa NH4+ sinh học được thực hiện bởi các chủng vi khuẩn

Nitrosomonas europea, Nitrosolobus, Nitrosococcus và Nitrosospira phổ biến nhất trong

đất Các quá trình oxy hóa của NH4+ thành hydroxylamine được mô tả theo phương trình dưới đây Tuy nhiên, ammonia (NH3) và NH4+ là thành phần chủ yếu cho quá trình oxy hóa

NH3 + 2H+ + 2e- + O2à NH2OH + H2O (1-4)

NH3 + N2O4 + 2H+ + 2e- à NH2OH + 2NO + H2O (1-5) Với sự có mặt của O2, sản phẩm NO được tạo ra có thể bị oxy hóa thành NO2 Do

đó, chỉ cần lượng nhỏ của NO có thể được phát hiện ở pha khí của Nitrosomonas tế bào

huyền phù Trong khi hydroxylamine tiếp tục bị oxy hóa thành nitrit, NO bị oxy hóa thành

NO2 (N2O4) Hydroxylamine bị oxy hóa thành nitrit cùng với H2O là nguồn cung cấp oxy thứ hai trong quá trình nitrit hóa:

NH2OH + H2O à HNO2 + 4H+ + 4e- (1-6) 2NO + O2à 2NO2 (N2O4) (1-7) Bước thứ hai trong quá trình nitrat hóa đó là quá trình oxy hóa nitrit thành nitrat,

được thực hiện bởi vi khuẩn oxy hóa nitrit như: Nitrobacter, Nitrococcus và Nitrospira

NO2- + 0.5O2à NO3- (1-8) Phản ứng nitrat hóa tổng thể diễn ra như sau:

32 |

NH4+ + 2O2à NO3- + 2H+ + H2O (1-9)

Chủng Nitrobacter và chủng Nitrospira là chất oxy hóa nitrit, Nitrospira có khả

năng oxy hóa nitrit tốt hơn Các chủng vi sinh vật khác linh hoạt hơn, có vi sinh vật tự dưỡng và cả vi khuẩn kỵ khí tự nhiên, chúng có thể tăng trưởng trên nền dị dưỡng như pyruvate và cũng có khả năng tham gia vào bước đầu tiên của quá trình loại bỏ nitơ, như

khử nitrat thành nitrit Trong trường hợp với sự có mặt của Nitrosomonas, trạng thái oxy

hóa của nitơ được thay đổi từ -3 đến +3, và trong trường hợp với sự có mặt của

Nitrobactermức oxy hóa của nitơ được chuyển từ +3 lên +5

Quá trình nitrat hóa bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, giá trị pH, nồng độ kiềm của nước, nguồn C vô cơ, độ ẩm, lượng vi khuẩn, và nồng độ ammoni-N và oxy hòa tan Nhiệt độ tối

ưu cho quá trình nitrat hóa dao động từ 25 đến 35oC và trong đất khoảng 30 đến 40oC Giá trị pH tối ưu cho quá trình nitrat hóa nằm trong khoảng từ 6,6 đến 8,0 Độ ẩm ảnh hưởng đến quá trình trao đổi khí của đất, do đó ảnh hưởng đến quá trình hình thành NO3- Nước ngập trên bề mặt, ngăn cản sự khuếch tán của oxy vào trong đất làm cho quá trình nitrat hóa bị hạn chế Vi khuẩn nitrat là những sinh vật rất nhạy cảm và dễ bị ức chế bởi nồng độ cao của ammoniac Mỗi mg nitơ ammoniac cần khoảng 4,3 mg O2 để oxy hóa thành nitrat

Hình 1-12: Vòng tuần hoàn của nitơ

Việc khử nitrit được cho là quá trình quan trọng liên quan đến quá trình loại bỏ nitơ, với sự có mặt của NH4+, nó đóng vai trò làm nguồn cung cấp điện tử cho quá trình loại bỏ nitơ Trong quá trình này, điện tử sẽ nhường cho nguyên tử N (III) trong NO2- để

từ -3 đến +3, và trong trường hợp với sự có mặt của Nitrobacter mức oxy hoá của nitơ được

chuyển từ +3 lên +5

Quá trình Nitrate hóa bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, giá trị pH, nồng độ kiềm của nước, nguồn C vô cơ, độ ẩm, lượng vi khuẩn, và nồng độ ammoni-N và oxy hòa tan Nhiệt độ tối ưu cho quá trình nitrat hóa dao động từ 25 đến 35oC và trong đất khoảng 30 đến 40oC Giá trị pH tối ưu cho quá trình nitrate hóa nằm trong khoảng từ 6,6 đến 8,0 Độ ẩm ảnh hưởng đến quá trình trao đổi khí của đất, do đó ảnh hưởng đến quá trình hình thành NO3- Nước ngập trên bề mặt, ngăn cản sự khuếch tán của oxy vào trong đất làm cho quá trình nitrat hóa bị hạn chế Vi khuẩn nitrate là những sinh vật rất nhạy cảm và dễ bị ức chế bởi nồng độ cao của ammoniac Mỗi mg nitơ ammoniac cần khoảng 4,3 mg O2 để oxy hóa thành nitrat

Việc khử nitrite được cho là quá trình quan trọng liên quan đến quá trình loại bỏ nitơ, với sự có mặt của NH4+, nó đóng vai trò làm nguồn cung cấp điện tử cho quá trình loại bỏ nitơ Trong quá trình này, điện tử sẽ nhường cho nguyên tử N (III) trong NO2- để tạo thành N2 và

H2O, qua đó loại bỏ NO2- độc hại ra khỏi nước và duy trì điều kiện oxi hóa khử tối ưu trong hệ thống Một chu trình nitơ đơn giản được mô tả trong hình 1-12

Hình 1-12: Vòng tuần hoàn của nitơ

1.1.9 Phosphor

Phosphor dư thừa trong nước đầu vào có thể làm mất cân bằng dinh dưỡng trong hệ sinh thái Giống như các hợp chất của nitơ, phosphor là một phần dinh dưỡng thiết yếu cho sự phát triển của thực vật và vi sinh vật Lắng đọng của các hạt phosphor và hấp phụ của phosphor hòa tan là hai quá trình vật lý để loại bỏ phosphor Phosphor được hấp phụ trên các hạt đất hoặc hạt

Không khí khí Khí NH 3 Khí N 2 + N 2 O

Chương 1 Loại bỏ các chất ô nhiễm bằng wetland

Mg2+ Với sự có mặt của những ion này, chúng tác động tích cực đến việc tích tụ của P Tích tụ P vào trong đất hay trầm tích phụ thuộc vào giá trị pH của hệ thống và hàm lượng của các ion Al3+, Fe3+, Fe2+, Ca2+ và Mg2+có mặt trong hệ thống Trong đất chua, P vô cơ được hấp phụ trên oxit ngậm nước của Fe và Al và P có thể tạo kết tủa không tan dưới dạng Fe-phosphate và Al-phosphate Trong môi trường kiềm, khi pH có giá trị lớn hơn 8,0,

sự hấp phụ P chịu chi phối chủ yếu bởi các hợp chất của Ca và Mg (Karathanasis 1995)

Hình 1-13: Tích trữ và vận chuyển phosphor trong môi trường wetland

PO 4 = orthophosphate, PP = hạt phosphor, DP = phosphor hòa tan, PH 3 = phosphine

Các phản ứng của các ion phosphate với các cation kim loại như Fe, Al, Ca hoặc

Mg, tạo ra các kết tủa, các kết tủa này tạo thành chất rắn dạng vô định hình hoặc chất rắn tinh thể Những phản ứng này thường xảy ra ở nồng độ cao của một trong hai ion: phosphate hoặc các cation kim loại Một loạt các cation kim loại có thể kết tủa với ion phosphate trong điều kiện nhất định Một số kết tủa trong môi trường wetland là

bùn nếu các hạt chất rắn đó có chứa các ion Al3+, Fe3+, Fe2+, Ca2+ và Mg2+ Với sự có mặt của những ion này, chúng tác động tích cực đến việc tích tụ của P Tích tụ P vào trong đất hay trầm tích phụ thuộc vào giá trị pH của hệ thống và hàm lượng của các ion Al3+, Fe3+, Fe2+, Ca2+ và

Mg2+ có mặt trong hệ thống Trong đất chua, P vô cơ được hấp phụ trên oxit ngậm nước của Fe

và Al và P có thể tạo kết tủa không tan dưới dạng Fe-phosphate và Al-phosphate Trong môi trường kiềm, khi pH có giá trị lớn hơn 8,0, sự hấp phụ P chịu chi phối chủ yếu bởi các hợp chất của Ca và Mg (Karathanasis 1995)

Các phản ứng của các ion phosphate với các cation kim loại như Fe, Al, Ca hoặc Mg, tạo ra các kết tủa, các kết tủa này tạo thành chất rắn dạng vô định hình hoặc chất rắn tinh thể Những phản ứng này thường xảy ra ở nồng độ cao của một trong hai ion: phosphate hoặc các cation kim loại Một loạt các cation kim loại có thể kết tủa với ion phosphate trong điều kiện nhất định Một số kết tủa trong môi trường wetland là khoáng chất quan trọng như appatite

Ca5(Cl,F)(PO4)3, hydroxylapatite Ca5(PO4)3OH, variscite Al(PO4).2H2O, strengite Fe(PO4).2H2O, vivianite Fe3(PO4)2.8H2O, wavellite Al3(OH)3(PO4)2.5H2O, whitlockite

Ca3(PO4)2 và fluoroapatite Ca5(PO4)3F Ngoài ra, các phản ứng hóa học trực tiếp của phosphate

có thể cộng kết với các khoáng chất khác, chẳng hạn như oxyhydroxide sắt và các khoáng chất carbonate như canxit (calcium carbonate) CaCO3 Hình 1.13 cho thấy tích trữ và vận chuyển phosphor trong môi trường wetland

Hình 1-13: Tích trữ và vận chuyển Phosphor trong môi trường Wetland PO4 = orthophosphate, PP = hạt phosphor, DP =

phosphor hòa tan, PH3 = phosphine

Phosphine là một hợp chất của phosphor ở dạng khí, nó được xác định là một hợp chất tiềm năng có ý nghĩa trong môi trường wetland Phosphine hòa tan trong nước ở áp suất cao

Nó có thể được sinh ra từ những khu vực có thế oxi hóa khử cực kỳ thấp cùng với khí methan Phosphine tự do không bền trong không khí, các gốc hydroxyl có trong những hợp chất trong bầu khí quyển, nó phản ứng đặc biệt nhanh với phosphine Theo tính toán, chu kỳ bán hủy của

Liên kết hoá học P Kết tủa hoá học

khoáng chất quan trọng như appatite Ca5(Cl,F)(PO4)3, hydroxylapatite Ca5(PO4)3OH, variscite Al(PO4).2H2O, strengite Fe(PO4).2H2O, vivianite Fe3(PO4)2.8H2O, wavellite

Al3(OH)3(PO4)2.5H2O, whitlockite Ca3(PO4)2 và fluoroapatite Ca5(PO4)3F Ngoài ra, các phản ứng hóa học trực tiếp của phosphate có thể cộng kết với các khoáng chất khác, chẳng hạn như oxyhydroxide sắt và các khoáng chất carbonate như canxit (calcium carbonate) CaCO3 Hình 1-13 cho thấy tích trữ và vận chuyển phosphor trong môi trường wetland

Phosphine là một hợp chất của phosphor ở dạng khí, nó được xác định là một hợp chất tiềm năng có ý nghĩa trong môi trường wetland Phosphine hòa tan trong nước ở áp suất cao Nó có thể được sinh ra từ những khu vực có thế oxi hóa khử cực kỳ thấp cùng với khí methan Phosphine tự do không bền trong không khí, các gốc hydroxyl có trong những hợp chất trong bầu khí quyển, nó phản ứng đặc biệt nhanh với phosphine Theo tính toán, chu kỳ bán hủy của phosphine trong không khí khoảng 28 giờ, trong điều kiện thời tiết nắng ráo Trong điều kiện cho phép, nó có thể tạo ra thanusual lớn hơn các gốc hydroxyl, qua đó thời gian bán phân hủy của phosphine có thể là không quá năm giờ (Grosse, 1999; Leustek, 1999) Sản phẩm cuối cùng của phản ứng giữa phosphine với các gốc hydroxyl tự

do là ion phosphate, các ion phosphate được tạo thành rơi xuống đất để thực hiện các chu trình sinh địa hóa của phosphor

Lượng PH3 phát thải đo được từ một hệ thống wetland (1,0 ha, được trồng

phragmites và bulrushes) ở Hungary khoảng 1,7 g.m-2.yr-1 tính theo P Đây cũng là con đường để loại bỏ phosphor trong hệ thống wetland

1.3.6 Kim loại

Ô nhiễm kim loại trong đất và nước được báo cáo từ khắp nơi trên thế giới, nó có tác động nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe con người Chất thải công nghiệp và khai thác mỏ là nguồn chủ yếu gây ô nhiễm môi trường kim loại nặng Quá trình loại bỏ kim loại diễn ra trong wetland liên quan đến một loạt các cơ chế sau (Eger, 1994; Nguyen, 2011):

• Lọc các chất rắn;

• Hấp phụ vào chất liệu hữu cơ;

• Quá trình oxy hóa và thủy phân;

• Hình thành cacbonat;

• Hình thành các hợp chất sunfur không tan;

• Liên kết với sắt và mangan oxit;

• Khử thành các dạng bất động bởi hoạt động của vi khuẩn, và

• Methyl hóa sinh học và bay hơi của thủy ngân

Một số ví dụ về các cơ chế, hiệu quả loại bỏ các kim loại nặng trong một số hệ thống wetland khác nhau, sử dụng các loại thực vật khác nhau ở một số khu vực trên thế giới được chỉ ra trong bảng 1-3 và hình 1-14

Lọc các kim loại thông qua hấp phụ trên chất rắn lơ lửng

Các nguồn nước thải ô nhiễm có chứa các kim loại được hấp thụ trên các chất rắn

lơ lửng, qua đó, nó được lọc dễ dàng và được giữ lại trong wetland Quá trình này rất quan trọng đối với hệ thống xử lý nước thải axit mỏ hoặc nước thải kiềm

Bảng 1-3: Cơ chế loại bỏ các kim loại trong hệ thống xử lý bằng wetland

Oxy hóa và thủy phân

AMD Wetland, Kentucky (Fabius IMP1)

Liên kết với sắt và mangan oxit

Cd

98,7

Hình thành các sunfur không tan

Lọc các chất rắn và chất keo

Đồng cỏ/đầm lầy/ao nhân tạo, Brookhaven, NY

(Hendrey, Clinton et al., 1979)

Đồng cỏ/đầm lầy/ao nhân tạo, Brookhaven, NY

(Hendrey, Clinton et al., 1979)

nước mưa đô thị, Orlando,

Nelson et al.,

2002 Gladden et al., 2003

Hình thành các sunfur không tan

Liên kết với sắt và mangan oxit Khử thành dạng bất động bằng vi sinh

Đồng cỏ/đầm lầy/ao nhân tạo, Brookhaven, NY Hendrey et al., 1979

nước mưa đô thị, Orlando,

Liên kết với sắt và mangan oxit

Đồng cỏ/đầm lầy/ao nhân tạo, Brookhaven, NY

Liên kết với sắt và mangan oxit Lọc các chất rắn và chất keo

Đầm lầy nước ngọt chứa nước mưa đô thị, Orlando,

Liên kết với sắt và mangan oxit

Đồng cỏ/đầm lầy/ao nhân tạo, Brookhaven, NY

Me % loại

bỏ

Cơ chế loại bỏ Lựa chọn nghiên cứu Nguồn

Hình thành các carbonate không tan Liên kết với sắt và mangan oxit

Đồng cỏ/đầm lầy/ao nhân tạo, Brookhaven, NY

Hendrey et al.,

1979

nước mưa đô thị, Orlando,

Adriano, 2001

Ag

75,9 Hình thành các sunfur

không tan Lọc các chất rắn và chất keo

Đầm lầy Cypress-gum tiếp nhận nước thải thành phố, Conway, SC

Liên kết với sắt và mangan oxit Lọc các chất rắn và chất keo

Đồng cỏ/đầm lầy/ao nhân tạo, Brookhaven, NY

Hendrey et al.,

1979

nước mưa đô thị, Orlando,

THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI

CW chứa nước mưa/ 8 wetland trồng Bulrushes; đất thấm nước bổ sung thạch cao

Nelson et al.,

2002 Gladden et al., 2003

Hình 1-14: Cơ chế loại bỏ các kim loại trong wetlands

Hấp phụ kim loại trên vật liệu hữu cơ

Một số kim loại ví dụ, Cu, U, và Ni có ái lực cao có thể liên kết với các hợp chất hữu cơ Các liên kết được tạo bởi các nhóm carboxyl và phenolic hydroxyl có trong các hợp chất hữu cơ, ví dụ, axit humic với các ion kim loại hình thành phức chất bền

Trong các hệ thống wetland có chứa nhiều các hợp chất hữu cơ, đặc biệt là ở các lớp mùn hữu cơ Hơn nữa, hệ thống CW có thể được thiết kế để tạo ra các thành phần tương tự các chất liệu hữu cơ giống như trong wetland tự nhiên tồn tại lâu năm, bằng cách

bổ sung các hợp chất hữu cơ như than bùn vào hệ thống Khi sử dụng các hợp chất hữu cơ

để loại bỏ các kim loại nó có nhược điểm đó là: khi chất hữu cơ bị phân hủy sinh học, nó

có thể phát tán các kim loại đã được hấp thụ trên vật liệu hữu cơ theo quá trình phân hủy

CW chứa nước mưa/ 8 wetland trồng Bulrushes; đất thấm nước bổ sung thạch cao

Nelson et al.,

2002 Gladden et al., 2003

Hấp phụ kim loại trên vật liệu hữu cơ

Một số kim loại ví dụ, Cu, U, và Ni có ái lực cao có thể liên kết với các hợp chất hữu

cơ Các liên kết được tạo bởi các nhóm carboxyl và phenolic hydroxyl có trong các hợp chất hữu cơ, ví dụ, axit humic với các ion kim loại hình thành phức chất bền

Kim loại Trầm tích Trầm tích

Hg Se bay hơi Đầu ra

Kim loại

Hấp thụ Hấp phụ

Tiếp nhận kim loại

Liên kết

Kim loại Liên kết C4

Tiếp nhận kim loại

Tiếp nhận kim loại

Vi sinh vật hiếu khí

Rác

Khuếch tán Vùng rễ

Lọc

Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, có những lựa chọn có thể ngăn chặn việc phát tán trở lại của các kim loại, một trong đó có thể sử dụng hiện tượng ngưng kết (thông qua con đường

hình thành các phức chất dạng keo) và sự hình thành các sunfur không tan (Nguyen, 2011)

Oxy hóa và thủy phân các kim loại

Nhôm, sắt và mangan có thể hình thành các hợp chất không tan dưới dạng các oxit, oxyhydroxides và hydroxit thông qua quá trình thủy phân hoặc quá trình oxy hóa xảy ra trong wetland Quá trình oxy hóa hoặc thủy phân nói chung là các quá trình chính để loại

bỏ các kim loại từ các dòng chảy bị ô nhiễm cụ thể:

• Al hòa tan hay kết tủa hoàn toàn, nó phụ thuộc vào giá trị pH của dung dịch Để loại

bỏ nhôm trong wetland cần nâng pH lên đến 5 và cần có đầy đủ thời gian lưu cho việc hình thành kết tủa hydroxit nhôm

• Loại bỏ Fe phụ thuộc vào giá trị của pH, vào thế oxy hóa khử và sự có mặt của các anion khác nhau, ví dụ cacbonat và sulfurcó mặt trong hệ thống Fe(III) có tính chất tương tự với Al3+ và có thể được loại bỏ một cách đơn giản là nâng giá trị pH đến 3.5 với đủ thời gian lưu Fe(II) đầu tiên cần được oxy hóa để chuyển hóa thành Fe(III); nếu không chuyển hóa được thành Fe (III), thì ở dạng Fe(II) tan tốt trong nước khi lượng oxy hòa tan thấp và để kết tủa Fe(OH)2 thì pH cần phải nâng lên đến 8 Khi giá trị pH nhỏ hơn 4 hoặc 5, các vi sinh vật sẽ chịu trách nhiệm chính cho quá trình oxy hóa Fe(II) thành Fe(III) Ở giá trị pH ≥ 6 quá trình oxy hóa phi sinh học là quá trình loại bỏ chính Loại bỏ Fe trong hệ thống wetland đạt được gần như 100% sau 8 năm hoạt động (Nouri, Khorasani et al 2009)

• Loại bỏ Mangan là khó nhất, để đạt được như mong muốn, thì quá trình oxy hóa của

nó được diễn ra từ từ trong wetland hiếu khí và có môi trường pH nhỏ hơn 8 Ngoài

ra, mangan ở dạng kết tủa sẽ hòa tan ngược trở lại khi trong dung dịch có mặt của sắt(II) Vi khuẩn đóng một vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy quá trình oxy hóa

Mn+2 thành Mn+4 Vào thời kỳ mùa đông, nhiệt độ giảm xuống, hoạt động của vi sinh vật giảm và điều đó làm giảm hiệu quả loại bỏ Mn (Karathanasis, 1995)

Hình thành muối carbonat kim loại

Kim loại có thể tạo thành muối cacbonate khi nồng độ của bicarbonate trong môi trường nước cao Kết tủa của các muối cacbonate kém bền hơn so với các kết tủa sulfur, nhưng chúng vẫn có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo mầm tinh thể ban đầu của kim loại Các hợp chất này có thể được biến đổi về mặt địa chất để chuyển về dạng bền hơn các dạng kết tủa cacbonate ban đầu

Có rất ít trường hợp mà trong hệ thống wetland có thể giữ lại một lượng đáng kể các kết tủa muối cacbonate Việc hình thành kết tủa cacbonate có thể diễn ra khi đưa đá vôi

vào dòng chảy của hệ thống xử lý nước thải axit mỏ hoặc khi vi khuẩn tạo ra kiềm ở dạng bicarbonate trong trầm tích wetland là rất lớn Lượng lớn của Cu và Mn cacbonate tích tụ trong một số wetland tự nhiên Tại mỏ Birchtree, hệ thống nước thải axit mỏ chứa hàm lượng sunfate cao, nhưng khoảng 45% của niken được loại bỏ trong wetland là do sự hình thành cacbonate Siderite được hình thành khi oxyhydroxides sắt bị khử trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ (King, 1990)

Hình thành kết tủa sulfur kim loại không tan

Trong môi trường wetland yếm khí, tạo điều kiện thúc đẩy sự tăng trưởng của vi khuẩn khử sunfat Trong nước thải axit mỏ giàu sunfate, các vi khuẩn này sẽ tạo ra hydrogen sulfur Hầu hết các kim loại chuyển tiếp đều phản ứng với hydrogen sulfur để tạo thành các muối sulfur không tan Các mảnh vụn giàu chất hữu cơ của wetland dùng trong

xử lý nước thải axit mỏ tác động tích cực đến quá trình khử sulfate

Các kim loại nặng như Ag, Cd, Hg, As, Cu, Pb và Zn hình thành hợp chất sunfur kim loại không tan khi có mặt hydrogen sulfur với nồng độ rất thấp Khoáng chất sulfur đã được tìm thấy trong một số trầm tích đầm lầy Sự hình thành các sunfur kim loại và tạo ra môi trường kiềm theo mùa trong các hệ thống wetland ngay ở vùng khí hậu giá lạnh ở phía Bắc

Kim loại có thể tạo liên kết với sắt và mangan oxit thông qua quá trình hấp phụ hoặc hiện tượng cộng kết Quá trình này được coi là không quan trọng trong việc loại bỏ lâu dài và giữ lại các kim loại bởi sắt và mangan oxit, vì chúng rất nhạy với oxy và có thể

bị oxy hóa và hòa tan ngược trở lại khi có mặt oxy

Nước được xử lý bằng wetland giàu sắt và mangan, chúng có thể kết tủa dưới dạng như oxyhydroxides hoặc hydroxit trong môi trường oxy hóa trên bề mặt wetland Người ta

đã tìm thấy trong wetland ở miền Bắc Australia các kim loại như Cu, Fe, Mn, Ni, Co, Pb,

U, và Zn được giữ lại chủ yếu ở dạng hợp chất với các oxit sắt Những kim loại này không

có dấu hiệu hòa tan trở lại từ các wetland vào trong nước Các nghiên cứu chỉ ra rằng, có thể duy trì hiệu quả loại bỏ của các kim loại như As, Co, Ni và Zn với sự có mặt của các oxit sắt, ngoài ra, Zn được giữ lại trên mảng bám sắt ở bề mặt của rễ cây (Matagi 1998, Kosolapov, Kuschk et al., 2004)

Chuyền kim loại thành dạng bất động bằng vi sinh

Trong các hệ thống wetland, một số kim loại như Cr, Cu, Se, và U có thể được loại

bỏ thông qua quá trình chuyển từ dạng linh động (ion tự do) thành dạng bất động như hydroxit, sulfur, carbonate…, các quá trình bất động đó bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như

pH, Eh và nồng độ của sulfur Riêng Cu tích tụ chỉ khi ở wetland có tính axit nhẹ Selen tích tụ ở wetland tự nhiên, nơi oxyanion hòa tan bị khử đến nguyên tố Se, ở dạng này nó